简介

学习网络的时候都了解过tcp和udp的一些特点，比如tcp有三次握手四次挥手，tcp消息可靠；udp传递速度快，udp可能丢数据。但是如果在详细一点来说可能就没那么清楚了，在这里我就本着知其然知其所以然的目标尽量搞清楚这些概念和特点。

TCP

首先我们先研究TCP：传输控制协议（英语：Transmission Control Protocol，缩写：TCP）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。在简化的计算机网络OSI模型中，它完成第四层传输层所指定的功能。
TCP协议的运行可划分为三个阶段：连接创建(connection establishment)、数据传送（data transfer）和连接终止（connection termination）

连接创建(connection establishment)

通常由一端（服务端）被被动打开一个套接字（socket）然后监听另一方（客户端）的连接，服务端执行了listen函数后，就在服务器创建两个队列：

SYN队列：存放完成了二次握手的结果。队列长度由listen函数的参数backlog指定。
ACCEPT队列：存放完成了三次握手的结果。队列长度由listen函数的参数backlog指定。

三次握手的过程：

客户端（通过执行函数connect）向服务端发送一个SYN包，请求一个主动打开。该包携带客户端为这个连接请求而设定的随机数A作为消息序列号。
服务器端收到一个合法的SYN包后，把该包放入SYN队列中；回送一个SYN/ACK。ACK的确认码应为A+1，SYN/ACK包本身携带一个服务端随机产生的序号B。
客户端收到SYN/ACK包后，发送一个ACK包，该包的序号被设定为A+1，而ACK的确认码则为B+1。然后客户端的connect函数成功返回。当服务器端收到这个ACK包的时候，把请求帧从SYN队列中移出，放至ACCEPT队列中；这时accept函数如果处于阻塞状态，可以被唤醒，从ACCEPT队列中取出ACK包，重新创建一个新的用于双向通信的sockfd，并返回。

如果服务器端接到了客户端发的SYN后回了SYN-ACK后客户端掉线了，服务器端没有收到客户端回来的ACK，那么，这个连接处于一个中间状态，既没成功，也没失败。于是，服务器端如果在一定时间内没有收到的TCP会重发SYN-ACK。在Linux下，默认重试次数为5次，重试的间隔时间从1s开始每次都翻倍，5次的重试时间间隔为1s, 2s, 4s, 8s, 16s，总共31s，第5次发出后还要等32s才知道第5次也超时了，所以，总共需要 1s + 2s + 4s+ 8s+ 16s + 32s = 63s，TCP才会断开这个连接。使用三个TCP参数来调整行为：tcp_synack_retries 减少重试次数；tcp_max_syn_backlog，增大SYN连接数；tcp_abort_on_overflow决定超出能力时的行为。其中DDOS就可以利用发送大量SYN包造成服务端网络或系统资源耗尽，导致正常用户的请求无法访问。

数据传送（data transfer）

在TCP的数据传送状态，很多重要的机制保证了TCP的可靠性和强壮性。它们包括：使用序号，对收到的TCP报文段进行排序以及检测重复的数据；使用校验和检测报文段的错误，即无错传输；使用确认和计时器来检测和纠正丢包或延时；流控制（Flow control）；拥塞控制（Congestion control）；丢失包的重传。

可靠传输

通常在每个TCP报文段中都有一对序号和确认号。TCP报文发送者称自己的字节流的编号为序号（sequence number），称接收到对方的字节流编号为确认号。TCP报文的接收者为了确保可靠性，在接收到一定数量的连续字节流后才发送确认。这是对TCP的一种扩展，称为选择确认（Selective Acknowledgement）。选择确认使得TCP接收者可以对乱序到达的数据块进行确认。每一个字节传输过后，SN号都会递增1。
通过使用序号和确认号，TCP层可以把收到的报文段中的字节按正确的顺序交付给应用层。序号是32位的无符号数，在它增大到23^2-1时，便会回绕到0。对于初始化序列号(ISN)的选择是TCP中关键的一个操作，它可以确保强壮性和安全性。
TCP协议使用序号标识每端发出的字节的顺序，从而另一端接收数据时可以重建顺序，无惧传输时的包的乱序交付或丢包。在发送第一个包时（SYN包），选择一个随机数作为序号的初值，以克制TCP序号预测攻击.
发送确认包（Acks），携带了接收到的对方发来的字节流的编号，称为确认号，以告诉对方已经成功接收的数据流的字节位置。Ack并不意味着数据已经交付了上层应用程序。
可靠性通过发送方检测到丢失的传输数据并重传这些数据。包括超时重传（Retransmission timeout，RTO）与重复累计确认（duplicate cumulative acknowledgements，DupAcks）。

基于重复累计确认的重传

如果一个包（不妨设它的序号是100，即该包始于第100字节）丢失，接收方就不能确认这个包及其以后的包，因为采用了累计ack。接收方在收到100以后的包时，发出对包含第99字节的包的确认。这种重复确认是包丢失的信号。发送方如果收到3次对同一个包的确认，就重传最后一个未被确认的包。阈值设为3被证实可以减少乱序包导致的无作用的重传（spurious retransmission）现象。选择性确认(SACK)的使用能明确反馈哪个包收到了，极大改善了TCP重传必要的包的能力。

超时重传

发送方使用一个保守估计的时间作为收到数据包的确认的超时上限。如果超过这个上限仍未收到确认包，发送方将重传这个数据包。每当发送方收到确认包后，会重置这个重传定时器。

数据传输举例

发送方首先发送第一个包含序列号为1（可变化）和1460字节数据的TCP报文段给接收方。接收方以一个没有数据的TCP报文段来回复（只含报头），用确认号1461来表示已完全收到并请求下一个报文段。
发送方然后发送第二个包含序列号为1461，长度为1460字节的数据的TCP报文段给接收方。正常情况下，接收方以一个没有数据的TCP报文段来回复，用确认号2921（1461+1460）来表示已完全收到并请求下一个报文段。发送接收这样继续下去。
然而当这些数据包都是相连的情况下，接收方没有必要每一次都回应。比如，他收到第1到5条TCP报文段，只需回应第五条就行了。在例子中第3条TCP报文段被丢失了，所以尽管他收到了第4和5条，然而他只能回应第2条。
发送方在发送了第三条以后，没能收到回应，因此当时钟（timer）过时（expire）时，他重发第三条。（每次发送者发送一条TCP报文段后，都会再次启动一次时钟：RTT）。
这次第三条被成功接收，接收方可以直接确认第5条，因为4，5两条已收到。

流量控制

流量控制用来避免主机分组发送得过快而使接收方来不及完全收下，一般由接收方通告给发送方进行调控。
TCP使用滑动窗口协议实现流量控制。接收方在“接收窗口”域指出还可接收的字节数量。发送方在没有新的确认包的情况下至多发送“接收窗口”允许的字节数量。接收方可修改“接收窗口”的值。
TCP包的序号与接收窗口的行为很像时钟。
当接收方宣布接收窗口的值为0，发送方停止进一步发送数据，开始了“保持定时器”（persist timer），以避免因随后的修改接收窗口的数据包丢失使连接的双侧进入死锁，发送方无法发出数据直至收到接收方修改窗口的指示。当“保持定时器”到期时，TCP发送方尝试恢复发送一个小的ZWP包（Zero Window Probe），期待接收方回复一个带着新的接收窗口大小的确认包。一般ZWP包会设置成3次，如果3次过后还是0的话，有的TCP实现就会发RST把链接断了。

拥塞控制

拥塞控制是发送方根据网络的承载情况控制分组的发送量，以获取高性能又能避免拥塞崩溃（congestion collapse，网络性能下降几个数量级）。这在网络流之间产生近似最大最小公平分配。
发送方与接收方根据确认包或者包丢失的情况，以及定时器，估计网络拥塞情况，从而修改数据流的行为，这称为拥塞控制或网络拥塞避免。
TCP的现代实现包含四种相互影响的拥塞控制算法：慢开始、拥塞避免、快速重传、快速恢复。

最大分段大小

最大分段大小 (MSS)是在单个分段中TCP愿意接受的数据的字节数最大值。MSS应当足够小以避免IP分片，它会导致丢包或过多的重传。在TCP连接创建时，双端在SYN报文中用MSS选项宣布各自的MSS，这是从双端各自直接相连的数据链路层的最大传输单元(MTU)的尺寸减去固定的IP首部和TCP首部长度。以太网MTU为1500字节， MSS值可达1460字节。使用IEEE 802.3的MTU为1492字节，MSS可达1452字节。如果目的IP地址为“非本地的”，MSS通常的默认值为536（这个默认值允许20字节的IP首部和20字节的TCP首部以适合576字节IP数据报）。此外，发送方可用传输路径MTU发现（RFC 1191）推导出从发送方到接收方的网络路径上的最小MTU，以此动态调整MSS以避免网络IP分片。

选择确认

最初采取累计确认的TCP协议在丢包时效率很低。例如，假设通过10个分组发出了1万个字节的数据。如果第一个分组丢失，在纯粹的累计确认协议下，接收方不能说它成功收到了1,000到9,999字节，但未收到包含0到999字节的第一个分组。因而，发送方可能必须重传所有1万个字节。
为此，TCP采取了“选择确认”（selective acknowledgment，SACK）选项。RFC 2018对此定义为允许接收方确认它成功收到的分组的不连续的块，以及基础TCP确认的成功收到最后连续字节序号。这种确认可以指出SACK block，包含了已经成功收到的连续范围的开始与结束字节序号。在上述例子中，接收方可以发出SACK指出序号1000到9999，发送方因此知道只需重发第一个分组(字节 0 到 999)。
TCP发送方会把乱序收包当作丢包，因此会重传乱序收到的包，导致连接的性能下降。重复SACK选项（duplicate-SACK option）是定义在RFC 2883中的SACK的一项扩展，可解决这一问题。接收方发出D-ACK指出没有丢包，接收方恢复到高传输率。D-SACK使用了SACK的第一个段来做标志，
如果SACK的第一个段的范围被ACK所覆盖，那么就是D-SACK;
如果SACK的第一个段的范围被SACK的第二个段覆盖，那么就是D-SACK
D-SACK旨在告诉发送端：收到了重复的数据，数据包没有丢，丢的是ACK包；或者“Fast Retransmit算法”触发的重传不是因为发出去的包丢了，也不是因为回应的ACK包丢了，而是因为网络延时导致的reordering。
SACK选项并不是强制的。仅当双端都支持时才会被使用。TCP连接创建时会在TCP头中协商SACK细节。在 Linux下，可以通过tcp_sack参数打开SACK功能（Linux 2.4后默认打开）。Linux下的tcp_dsack参数用于开启D-SACK功能（Linux 2.4后默认打开）。选择确认也用于流控制传输协议 (SCTP).

连接终止（connection termination）

连接终止使用了四路握手过程（或称四次握手，four-way handshake），在这个过程中连接的每一侧都独立地被终止。当一个端点要停止它这一侧的连接，就向对侧发送FIN，对侧回复ACK表示确认。因此，拆掉一侧的连接过程需要一对FIN和ACK，分别由两侧端点发出。
首先发出FIN的一侧，如果给对侧的FIN响应了ACK，那么就会超时等待2*MSL时间，然后关闭连接。在这段超时等待时间内，本地的端口不能被新连接使用；避免延时的包的到达与随后的新连接相混淆。RFC793定义了MSL为2分钟，Linux设置成了30s。参数tcp_max_tw_buckets控制并发的TIME_WAIT的数量，默认值是180000，如果超限，那么，系统会把多的TIME_WAIT状态的连接给destory掉，然后在日志里打一个警告（如：time wait bucket table overflow）
连接可以工作在TCP半开状态。即一侧关闭了连接，不再发送数据；但另一侧没有关闭连接，仍可以发送数据。已关闭的一侧仍然应接收数据，直至对侧也关闭了连接。
也可以通过测三次握手关闭连接。主机A发出FIN，主机B回复FIN & ACK，然后主机A回复ACK.

状态编码

下表为TCP状态码列表，以S指代服务器，C指代客户端，S&C表示两者，S/C表示两者之一：
LISTEN S
服务器等待从任意远程TCP端口的连接请求。侦听状态。
SYN-SENT C
客户在发送连接请求后等待匹配的连接请求。通过connect()函数向服务器发出一个同步（SYNC）信号后进入此状态。
SYN-RECEIVED S
服务器已经收到并发送同步（SYNC）信号之后等待确认（ACK）请求。
ESTABLISHED S&C
服务器与客户的连接已经打开，收到的数据可以发送给用户。数据传输步骤的正常情况。此时连接两端是平等的。这称作全连接。
FIN-WAIT-1 S&C
（服务器或客户）主动关闭端调用close（）函数发出FIN请求包，表示本方的数据发送全部结束，等待TCP连接另一端的ACK确认包或FIN&ACK请求包。
FIN-WAIT-2 S&C
主动关闭端在FIN-WAIT-1状态下收到ACK确认包，进入等待远程TCP的连接终止请求的半关闭状态。这时可以接收数据，但不再发送数据。
CLOSE-WAIT S&C
被动关闭端接到FIN后，就发出ACK以回应FIN请求，并进入等待本地用户的连接终止请求的半关闭状态。这时可以发送数据，但不再接收数据。
CLOSING S&C
在发出FIN后，又收到对方发来的FIN后，进入等待对方对己方的连接终止（FIN）的确认（ACK）的状态。少见。
LAST-ACK S&C
被动关闭端全部数据发送完成之后，向主动关闭端发送FIN，进入等待确认包的状态。
TIME-WAIT S/C
主动关闭端接收到FIN后，就发送ACK包，等待足够时间以确保被动关闭端收到了终止请求的确认包。【按照RFC 793，一个连接可以在TIME-WAIT保证最大四分钟，即最大分段寿命（maximum segment lifetime）的2倍】
CLOSED S&C
完全没有连接。

TCP头部

UDP

用户数据报协议（英语：User Datagram Protocol，缩写：UDP；又称用户数据包协议）是一个简单的面向数据报的通信协议，位于OSI模型的传输层。该协议由David P. Reed在1980年设计且在RFC 768中被规范。典型网络上的众多使用UDP协议的关键应用在一定程度上是相似的。
在TCP/IP模型中，UDP为网络层以上和应用层以下提供了一个简单的接口。UDP只提供数据的不可靠传递，它一旦把应用程序发给网络层的数据发送出去，就不保留数据备份（所以UDP有时候也被认为是不可靠的数据报协议）。UDP在IP数据报的头部仅仅加入了复用和数据校验字段。
UDP适用于不需要或在程序中执行错误检查和纠正的应用，它避免了协议栈中此类处理的开销。对时间有较高要求的应用程序通常使用UDP，因为丢弃数据包比等待或重传导致延迟更可取。

可靠性

由于UDP缺乏可靠性且属于无连接协议，所以应用程序通常必须容许一些丢失、错误或重复的数据包。某些应用程序（如TFTP）可能会根据需要在应用程序层中添加基本的可靠性机制。
一些应用程序不太需要可靠性机制，甚至可能因为引入可靠性机制而降低性能，所以它们使用UDP这种缺乏可靠性的协议。流媒体，实时多人游戏和IP语音（VoIP）是经常使用UDP的应用程序。在这些特定应用中，丢包通常不是重大问题。如果应用程序需要高度可靠性，则可以使用诸如TCP之类的协议。
例如，在VoIP中延迟和抖动是主要问题。如果使用TCP，那么任何数据包丢失或错误都将导致抖动，因为TCP在请求及重传丢失数据时不向应用程序提供后续数据。如果使用UDP，那么应用程序则需要提供必要的握手，例如实时确认已收到的消息。
由于UDP缺乏拥塞控制，所以需要基于网络的机制来减少因失控和高速UDP流量负荷而导致的拥塞崩溃效应。换句话说，因为UDP发送端无法检测拥塞，所以像使用包队列和丢弃技术的路由器之类的网络基础设备会被用于降低UDP过大流量。数据拥塞控制协议（DCCP）设计成通过在诸如流媒体类型的高速率UDP流中增加主机拥塞控制，来减小这个潜在的问题。

UDP头部

TCP和UDP比较

TCP面向连接（如打电话要先拨号建立连接）;UDP是无连接的，即发送数据之前不需要建立连接
TCP提供可靠的服务。也就是说，通过TCP连接传送的数据，无差错，不丢失，不重复，且按序到达;UDP尽最大努力交付，即不保证可靠交付
TCP面向字节流，实际上是TCP把数据看成一连串无结构的字节流;UDP是面向报文的
UDP没有拥塞控制，因此网络出现拥塞不会使源主机的发送速率降低（对实时应用很有用，如IP电话，实时视频会议等）
每一条TCP连接只能是点到点的;UDP支持一对一，一对多，多对一和多对多的交互通信
TCP首部开销20字节;UDP的首部开销小，只有8个字节
TCP的逻辑通信信道是全双工的可靠信道，UDP则是不可靠信道

TCP和UDP那些事儿

简介

TCP